I fisici dell’Università di Bath nel Regno Unito hanno sviluppato una nuova generazione di fibre ottiche speciali, progettate per rispondere alle sfide previste in materia di trasferimento dati nell’imminente era dell’informatica quantistica.
Nuova generazione di fibre ottiche
Le tecnologie quantistiche promettono di fornire una potenza di calcolo senza pari, consentendoci di risolvere complessi problemi logici, sviluppare nuovi farmaci e fornire tecniche crittografiche indistruttibili per comunicazioni sicure. Tuttavia, le reti via cavo utilizzate oggi per trasmettere informazioni in tutto il mondo sono probabilmente sub-ottimali per le comunicazioni quantistiche, a causa dei nuclei solidi delle loro fibre ottiche.
A differenza delle normali fibre ottiche, le fibre speciali prodotte a Bath hanno un nucleo microstrutturato, costituito da un complesso schema di sacche d’aria che corrono lungo l’intera lunghezza della fibra.
La Dott.ssa Kristina Rusimova del Dipartimento di fisica di Bath ha dichiarato: “Le fibre ottiche convenzionali che sono il cavallo di battaglia delle nostre reti di telecomunicazioni odierne trasmettono la luce a lunghezze d’onda che sono interamente governate dalle perdite del vetro di silice. Tuttavia, queste lunghezze d’onda non sono compatibili con le lunghezze d’onda operative delle sorgenti a singolo fotone, qubit e componenti ottici attivi, che sono necessari per le tecnologie quantistiche basate sulla luce”.
La Dott.ssa Rusimova e i suoi colleghi hanno descritto le fibre all’avanguardia realizzate a Bath, insieme ad altri sviluppi recenti e futuri nel campo emergente dell’informatica quantistica, in un articolo accademico pubblicato sulla rivista Applied Physics Letters Quantum.
Rusimova, che è l’autrice principale del documento, noto come prospettiva, ha aggiunto: “La progettazione e la fabbricazione di fibre ottiche sono in prima linea nella ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università di Bath e le fibre ottiche che stiamo sviluppando pensando ai computer quantistici stanno gettando le basi per le esigenze di trasmissione dati di domani”.
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Fibre ottiche speciali per trasmettere informazioni quantistiche
La luce è un mezzo promettente per il calcolo quantistico. Le singole particelle di luce, chiamate fotoni, possiedono alcune proprietà quantistiche uniche che possono essere sfruttate dalle tecnologie quantistiche.
Un esempio del genere è l’entanglement quantistico, in cui due fotoni separati da una grande distanza non solo contengono informazioni l’uno sull’altro, ma possono anche influenzare istantaneamente le rispettive proprietà. A differenza dei bit binari dei computer classici (sia un uno che uno zero), coppie di fotoni entangled possono infatti esistere sia come uno che come zero allo stesso tempo, liberando enormi quantità di potenza di calcolo.
Il dott. Cameron McGarry, fino a poco tempo fa fisico a Bath e primo autore dell’articolo, ha affermato: “Un’Internet quantistica è un ingrediente essenziale per mantenere le grandi promesse di questa tecnologia quantistica emergente. Proprio come l’Internet esistente, un Internet quantistico si affiderà alle fibre ottiche per trasmettere informazioni da un nodo all’altro. È probabile che queste siano molto diverse da quelle utilizzate attualmente e richiederanno una tecnologia di supporto diversa per essere utili”.
Nella loro prospettiva, i ricercatori hanno discusso le sfide associate all’Internet quantistica dal punto di vista della tecnologia della fibra ottica e presentano una serie di potenziali soluzioni per la scalabilità di una rete quantistica solida e su larga scala.
Questo comprende sia le fibre che saranno utilizzate per le comunicazioni a lungo raggio, sia le fibre speciali che consentiranno di integrare ripetitori quantistici direttamente nella rete per estendere la distanza su cui questa tecnologia può operare.
Fibre ottiche: non solo comunicazione, ma anche calcolo quantistico
I ricercatori hanno descritto inoltre come le fibre ottiche speciali possano andare oltre la semplice connessione dei nodi di una rete, implementando il calcolo quantistico nei nodi stessi, fungendo da sorgenti di singoli fotoni intrecciati, convertitori di lunghezza d’onda quantistica, interruttori a bassa perdita o contenitori per memorie quantistiche.
Il dott. McGarry ha spiegato: “A differenza delle fibre ottiche normalmente utilizzate per le telecomunicazioni, le fibre speciali che vengono regolarmente prodotte a Bath hanno un nucleo microstrutturato, costituito da un complesso schema di sacche d’aria che corrono lungo l’intera lunghezza della fibra”.
“Il modello di queste sacche d’aria è ciò che consente ai ricercatori di manipolare le proprietà della luce all’interno della fibra e creare coppie di fotoni aggrovigliati, cambiare il colore dei fotoni o persino intrappolare singoli atomi all’interno delle fibre”.
“I ricercatori di tutto il mondo stanno facendo rapidi ed entusiasmanti progressi nelle capacità delle fibre ottiche microstrutturate in modi che sono di interesse per l’industria”, ha affermato la Dott. ssa Kerrianne Harrington, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica.
“La nostra prospettiva descrive gli entusiasmanti progressi di queste nuove fibre e come potrebbero essere utili per le future tecnologie quantistiche”.
Il dott. Alex Davis, borsista EPSRC Quantum Career Acceleration presso Bath, ha aggiunto: “È la capacità delle fibre di confinare strettamente la luce e trasportarla su lunghe distanze a renderle utili. Oltre a generare fotoni aggrovigliati, questo ci consente di generare stati quantistici di luce più esotici con applicazioni nel calcolo quantistico, nella rilevazione di precisione e nella crittografia dei messaggi inespugnabile”.
Il vantaggio quantistico, ovvero la capacità di un dispositivo quantistico di svolgere un compito in modo più efficiente di un computer convenzionale, deve ancora essere dimostrato in modo conclusivo. Le sfide tecnologiche identificate nella prospettiva apriranno probabilmente nuove strade alla ricerca quantistica e ci avvicineranno al raggiungimento di questa importante pietra miliare. Si prevede che le fibre ottiche fabbricate a Bath contribuiranno a gettare le basi per i computer quantistici di domani.
